SEKWENCJONER DNA NOWEJ GENERACJI - DOBÓR MATERIAŁU
streszczenie rozprawy doktorskiej

dr inż. Anna Karczemska, Politechnika Łódzka, Instytut Maszyn Przepływowych

Jednym z niezbędnych elementów w nowoczesnych projektach i koncepcjach inżynierskich jest projektowanie i wytwarzanie materiałów o wymaganych właściwościach dla konkretnych zastosowań. Niniejsza rozprawa doktorska stanowi projekt materiałowy mający na celu optymalizację doboru materiału, kształtu i technologii do wytwarzania nowej generacji mikrochipa elektroforetycznego z zastosowaniem do sekwencjonowania DNA. Praca ta jest jednocześnie fragmentem szerszego projektu o nazwie MicroDiaGene.

Badania wchodzące w zakres tej pracy były przeprowadzone przez autorkę w latach 1997-2001 w Imperial College w Londynie, w zespole "Diamond Group" doktora Johna Hassarda oraz w latach 1997-2002 na Wydziale Mechanicznym Politechniki Łódzkiej. Trzyletni pobyt w Londynie autorki niniejszej rozprawy, umożliwiło stypendium im. Jana Dzienisiewicza.

Niezwykle przydatnym narzędziem do rozdziałów DNA i białek jest elektroforeza. Jest to zjawisko przesuwania się cząstek obdarzonych ładunkiem w polu elektrycznym. Pod wpływem przyłożonej zewnętrznie różnicy potencjałów elektrycznych, cząstki wędrują ku odpowiedniej elektrodzie, o ładunku przeciwnym niż ich własny. W mikrochipach rozdziały elektroforetyczne DNA odbywają się w mikrokanałach wytworzonych na powierzchni niewielkiej płytki.

W pracy zostało wykazane, że aby dojść do granic możliwości elektroforezy chipowej, czyli jak najszybszych, najbardziej wydajnych rozdziałów cechujących się powtarzalnością, wysoką rozdzielczością, dokładnością i przepustowością, należy dobrze zrozumieć zjawiska zachodzące w jej trakcie. Szczególnie ważne jest wyeliminowanie niekorzystnego wpływu powstającego w procesie elektroforezy ciepła Joule'a, a tym samym podgrzewanie żelu oraz powstawanie różnic temperatur w żelu wewnątrz mikrokanałów. Wytworzenie mikrochipów z materiałów o dobrym przewodnictwie cieplnym oraz otrzymanie mikrokanałów o przekrojach poprzecznych w kształcie prostokątnym, znacznie zwiększy możliwość efektywnego odprowadzania ciepła przez urządzenie.

Obiecującymi, przyszłościowymi materiałami do wytworzenia różnego rodzaju mikrochipów do analizy biomolekuł są dobrej jakości polikrystaliczny diament oraz monokrystaliczny Al2O3. Obydwa te materiały są przezroczyste w ultrafiolecie dla długości fali 260 nm, co jest warunkiem koniecznym przy zastosowaniu detekcji DNA metodą absorpcji, wykazują też bardzo dobre przewodnictwo cieplne a jednocześnie są dobrymi izolatorami elektryczności. Jednak w chwili obecnej diament i Al2O3, jak również technologie mające na celu odwzorowanie kształtów na ich powierzchni, są zbyt drogie, aby wytwarzać z nich komercyjne mikrochipy.

Innym, konkurencyjnym rozwiązaniem jest zastosowanie polidimetylosiloksanu (PDMS u). Jest to materiał niezwykle tani i prosty w obróbce. Mogą być w nim wytworzone prostokątne mikrokanały o wysokim stosunku ich głębokości do szerokości. PDMS ma też bardzo dobre właściwości optyczne i jest bioobojętny. Jego wadą jest złe odprowadzanie ciepła.

W pracy przedstawiona została zatem koncepcja bardzo prostego w wykonaniu mikrochipa kompozytowego łączącego najlepsze właściwości różnych materiałów. Zostały zrealizowane wstępne warianty takiego chipa:

• mikrochipa elektroforetycznego wytworzonego w polimerze BisBenzoCycloButenie na powierzchni monokrystalicznego Al2O3,
• mikrochipa elektroforetycznego wytworzonego w polimerze BisBenzoCycloButenie wymieszanym z proszkiem Al2O3 na powierzchni monokrystalicznego Al2O3 oraz mikrochipa wytworzonego z polidimetylosiloksanu z naniesioną na powierzchnię mikrokanałów warstwą DLC.

Wydaje się, że jest to bardzo obiecująca droga do technologii trwałych, szybkich i tanich sekwencjonerów DNA.